張卜+哈麗丹·買買提+張?jiān)骑w+戴艷秋

摘 要 以新疆五彩灣煤炭為原料，通過混酸（H2SO4+HNO3）/超聲結(jié)合法制得煤基碳點(diǎn)（Cdots）， 對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，考察了其作為熒光探針檢測水體中金屬離子的性能。結(jié)果表明，此煤基Cdots是一類具有sp2碳構(gòu)筑的多層石墨烯碎片結(jié)構(gòu)環(huán)壁，且鏈接了硝基等含氧基團(tuán)的稠環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)粒子，粒徑為（8±4）nm，具有良好的吸收和熒光發(fā)射能力及水分散性； 在痕量Cu2+存在下，此Cdots能夠選擇性地發(fā)生熒光猝滅，對Cu2+的檢出限低至9.6 nmol/L，是一種極為有效的Cu2+熒光檢測劑。

1 引 言

碳點(diǎn)（Cdots）是2004年Xu等在分離和純化單壁碳納米管時發(fā)現(xiàn)的一類粒徑小于 10 nm 的近球形顆粒[1]，因具有卓越的光穩(wěn)定性和水溶性、優(yōu)異的生物相容性和低毒性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及響應(yīng)性的熒光猝滅/增強(qiáng)等性質(zhì)而得到了廣泛應(yīng)用[2～5]，特別是在生化分析及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，Cdots因具有較高的選擇性和靈敏度， 已成為離子檢測方面的常用探針[6，7]。如Zhang等[8] 采用亞硫酰氯（SOCl2）氯化及乙二胺鈍化等步驟制得纖維素基熒光納米粒子（NCCEDA），將其作為熒光探針，用于檢測水體中的Pb2+，檢出限為24 nmol/L； Yan等[9]制備了聚乙烯亞胺（BPEI） 功能化的碳點(diǎn)（BPEICQDs），并成功用于Cu2+的檢測，檢出限達(dá)到6 nmol/L。然而，具有良好應(yīng)用價(jià)值的納米粒子（熒光量子產(chǎn)率較高）大多需要進(jìn)行功能化修飾，制備過程繁雜且價(jià)格昂貴； 另外，采用不同原料及方法制得的熒光Cdots的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)迥異，對環(huán)境中離子或其它物質(zhì)產(chǎn)生的特異性熒光響應(yīng)也不同[10]。因此，選擇廉價(jià)易得的原料，采用更簡便的方法制備熒光Cdots，并探索其結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

Cu2+作為眾多酶的輔因子，在生物體的生理活動中起著非常重要的協(xié)同催化作用[10，11]； 但如果生物體攝入的Cu2+過多， 又會打破細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)， 從而導(dǎo)致一些類似阿耳茨海默癥的神經(jīng)性疾病[12～14]。美國環(huán)境保護(hù)署的飲用水標(biāo)準(zhǔn)提出人體攝入的Cu2+不能超過1.3 mg/L[15]， 而我國飲用水標(biāo)準(zhǔn)中總銅含量不能超過1.0 mg/L。因此， 發(fā)展一種能高效、快速的檢測環(huán)境與生物體內(nèi)Cu2+的熒光探針，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本研究選擇易于制備碳材料的新疆五彩灣煤炭[16]為原料，通過混酸（H2SO4+HNO3）/超聲結(jié)合法制備煤基Cdots，并在表征結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能的同時，將此煤基Cdots作為熒光探針， 用于檢測水體中的金屬離子，考察了其對Cu2+的選擇性猝滅效應(yīng)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器、試劑與材料

Fluorolog3型熒光光譜儀（法國HORIBA公司）； M18XHF22SRA型X射線衍射儀（MAC公司）； Eclipse TiS型熒光顯微鏡（20 × 物鏡，日本Nikon公司）； UV3900H型紫外可見分光光度儀（日本HITACHI公司）。 集熱式磁力加熱攪拌器（金壇市醫(yī)療儀器廠）； KQ5200E型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）； SFTGL12C型高速離心機(jī) （上海菲恰爾分析儀器有限公司）。H600型透射電子顯微鏡（TEM，日本日立公司）； ESCALAB 250型X射線光電子能譜儀（美國Thermo Fisher公司）。

H2SO4、HNO3等試劑均為分析純； 實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水。Spectrumiabs即用型透析袋（截留分子量100～500，上海通善生物科技有限公司）。煤樣取自中國新疆準(zhǔn)東煤田的五彩灣煤礦，研磨并過200目篩后，在105℃下干燥4 h備用。

2.2 煤基Cdots的制備

按文獻(xiàn)[17]的方法制備煤基Cdots： 煤樣過200目篩，稱取1 g加入2.5 mol/L HNO3溶液，室溫?cái)嚢?4 h后再回流攪拌24 h，冷卻至室溫，離心，沉淀出煤粉渣，吹干后取0.5 g置入溶解瓶中，按比例加入25 mL H2SO4HNO3 （3∶1， V/V），60℃下超聲分散12 h，之后移至離心管中，用30 mL 水分3次洗滌沉淀物，離心分離（10000 r/min）除去洗液后（測得體系pH=0.01～1.21），加入20 mL水振蕩1 min，待沉淀物分散后，進(jìn)行離心分離，取上層液（此時體系pH=1.99～4.09），并將其置入透析袋中，在水中透析72 h至中性，得煤基Cdots的水分散體，將其吹干，得0.0618 g黑褐色煤基Cdots。

2.3 形貌和成分表征

取煤基Cdots水分散體滴在銅網(wǎng)上晾干后，采用TEM觀察其形貌結(jié)構(gòu)； 納米激光粒度儀測定煤基Cdots的粒徑； 采用X射線衍射儀對煤基Cdots進(jìn)行XRD表征； 采用X射線光電子能譜儀（XPS）分析煤基Cdots的表面狀態(tài)。

分 析 化 學(xué)第45卷

第10期張卜等： 煤基碳點(diǎn)的制備及其在檢測痕量Cu2+中的應(yīng)用

2.4 光學(xué)性能測試

將稀釋的煤基Cdots水分散體放入比色皿中，測定其UVvis吸收光譜，以及不同激發(fā)波長下的發(fā)射光譜； 將煤基Cdots水分散液滴在蓋玻片上晾干后， 使用熒光顯微鏡觀察煤基Cdots在不同波長光激發(fā)下的發(fā)光特性，并拍攝照片。

2.5 煤基Cdots對Cu2+的檢測

熒光納米粒子與半導(dǎo)體量子點(diǎn)類似，可通過與目標(biāo)物作用，改變其表面電子空穴對之間的復(fù)合效率，導(dǎo)致熒光的增強(qiáng)或猝滅，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物的定性或定量分析[18]。為了檢測本研究制備的煤基Cdots對Cu2+的熒光響應(yīng)性，考察了15種常見金屬離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Al3+、Fe3+、Pb2+、Cu2+、Mn2+、Ni2+、Co2+、Cd2+、Hg2+、Cr3+）對煤基Cdots熒光強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)步驟如下：配制0.25 g/L煤基Cdots溶液，分別移取1.00 mL，置入0～15號100 mL容量瓶中，再用PBS緩沖溶液（pH=7）定容，得0～15號煤基Cdots的PBS溶液。在1～15號溶液中分別加入1.00 mL（30 μmol/L）不同金屬離子溶液，測定其熒光發(fā)射光譜強(qiáng)度（F），并與未加入金屬離子溶液的空白溶液（0號）的熒光強(qiáng)度（F0）進(jìn)行對比， 考察煤基Cdots對Cu2+的選擇性。配制一系列不同濃度的Cu2+溶液（0～50 μmol/L），取0.1 mL滴在煤基Cdots的PBS溶液中，混勻并測定其熒光發(fā)射光譜強(qiáng)度（F），觀察發(fā)光強(qiáng)度的變化（F/F0）， 考察煤基Cdots對Cu2+的靈敏度。選擇性及靈敏度實(shí)驗(yàn)平行測定3次，結(jié)果取平均值。endprint

3 結(jié)果與討論

3.1 煤基Cdots的結(jié)構(gòu)

煤分子是由脂肪鏈或醚鍵鏈接芳香砌塊結(jié)構(gòu)的交聯(lián)狀高分子，在有機(jī)溶劑中只能溶脹而不能溶解[19]，但通過混酸/超聲處理后，其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本變化。如圖1所示，在強(qiáng)酸及超聲作用下，鏈接煤炭分子中稠環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)的脂肪鏈或醚鍵首先斷裂，分布在其中的芳烴小分子流出，并與斷裂的脂肪鏈分子一同被酸氧化而鍵聯(lián)上大量的含氧官能團(tuán)溶入水相（體系pH=0.01～1.21）； 之后，隨著水洗次數(shù)增多，體系中的酸含量逐漸降低， pH值逐步增大，當(dāng)酸水的比例達(dá)到某個特定值時（此時pH=1.99～4.09），體系中會產(chǎn)生大量的硝化質(zhì)子·NO2，并向芳環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)起親電子攻擊[20]，導(dǎo)致煤炭中的稠環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)分子進(jìn)一步氧化脫水，鏈接上硝基等含氧基團(tuán)而溶入水中。該解聚物的顆粒尺寸恰好與量子點(diǎn)相當(dāng)，且具有sp2碳構(gòu)筑的多層石墨烯碎片結(jié)構(gòu)環(huán)壁，是典型的熒光Cdots結(jié)構(gòu)物質(zhì)[21]。

圖2為本實(shí)驗(yàn)制備的煤基Cdots的結(jié)構(gòu)表征結(jié)果。由圖2A可見，通過混酸氧化法剝離除灰后的五彩灣煤炭制備的煤基Cdots為粒徑分布在（8±4）nm的近球形顆粒。其高分辨率透射電鏡圖像顯示該納米顆粒為環(huán)狀物（如圖2A插圖，應(yīng)為煤炭中的芳環(huán)結(jié)構(gòu)物質(zhì)），環(huán)壁具有類似石墨結(jié)構(gòu)

3.2 煤基Cdots的光學(xué)性質(zhì)

由混酸/超聲結(jié)合法制得的煤基Cdots水分散體的吸收及熒光光譜（圖3A）可見，制備的煤基Cdots在紫外及可見光區(qū)域均有廣泛吸收。這可能與煤基Cdots結(jié)構(gòu)中的大π鍵在紫外區(qū)發(fā)生的π→π*躍遷和其表面鏈接的CO， CN， CS，NO2等雜原子生色基團(tuán)在可見光區(qū)發(fā)生的n→π*躍遷有關(guān)[28]。當(dāng)采用360～540 nm的光激發(fā)煤基Cdots時，其熒光發(fā)射峰為單峰，強(qiáng)度是先增后降，且隨激發(fā)波長的增長而紅移，在500 nm左右達(dá)到最佳激發(fā)波長，在550 nm 左右出現(xiàn)最強(qiáng)發(fā)射峰。這說明本研究制備的煤基Cdots具有激發(fā)依賴的發(fā)射性質(zhì)[29]。

將煤基Cdots水分散體滴在蓋玻片上晾干后，在熒光顯微鏡下觀察其形貌及發(fā)光特征，發(fā)現(xiàn)使用不同通道（既不同波長）的激發(fā)光，煤基Cdots會發(fā)出不同色的熒光，結(jié)果如圖3B～3D：圖3B是在340～380 nm激發(fā)光下發(fā)射藍(lán)色熒光的煤基Cdots的熒光顯微鏡照片； 采用465～495 nm的激發(fā)通道時，煤基Cdots發(fā)出綠色熒光（如圖3C）； 而采用540 nm的光激發(fā)時，煤基Cdots會發(fā)射紅色熒光（如圖3D）。這一結(jié)果與煤基Cdots的熒光光譜一致，進(jìn)一步證明了煤基Cdots激發(fā)依賴的發(fā)射性質(zhì)[29]。另外，采用340～540 nm的光激發(fā)上千次后的拍攝結(jié)果見圖3B～3D，在此過程中未發(fā)現(xiàn)明顯的發(fā)射光強(qiáng)度衰減現(xiàn)象，說明此煤基Cdots具有一定的光穩(wěn)定性。

3.3 煤基Cdots用于熒光探針檢測Cu2+的靈敏性和選擇性

按照前述實(shí)驗(yàn)方法，考察K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Al3+、Fe3+、Pb2+、Cu2+、Mn2+、Ni2+、Co2+、Cd2+、Hg2+和Cr3+對煤基Cdots熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖4A。

圖4A中縱坐標(biāo)表示加入不同金屬離子后煤基Cdots的熒光強(qiáng)度F和未加金屬離子時煤基Cdots的熒光強(qiáng)度F0的比值（F/F0）。從圖4A可見，當(dāng)Cdots水分散液中存在K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Al3+、Cd2+或 Hg2+時， Cdots的熒光幾乎未衰減； 在Fe3+、Pb2+、Mn2+、Ni2+、Co2+或Cr6+存在時， Cdots的熒光強(qiáng)度稍有下降，但降幅不明顯； 然而當(dāng)煤基Cdots水分散液中存在Cu2+時， 煤基Cdots的熒光強(qiáng)度下降顯著， 說明Cu2+對煤基Cdots具有一定的選擇猝滅效應(yīng)。

為了揭示Cu2+對煤基Cdots的熒光具有選擇性猝滅的原因，在2.5 μg/mL煤基Cdots的PBS緩沖溶液中加入2 mL 30 μmol/L Cu2+溶液，當(dāng)Cdots的熒光完全淬滅后， 采用TEM觀察混合液其中Cdots形貌結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)Cu2+已吸附于煤基Cdots表面（圖4B），可能是Cu2+與存在于煤基Cdots表面的羧基、羥基、環(huán)氧基、磺酸基、硝基等含氧官能團(tuán)發(fā)生了螯合作用，從而導(dǎo)致煤基Cdots的熒光淬滅。為了驗(yàn)證此結(jié)論， 在上述實(shí)驗(yàn)液中加入了過量的強(qiáng)螯合劑乙二胺四乙酸（EDTA），使其與溶液中的Cu2+充分螯合，再次測試溶液的熒光光譜，發(fā)現(xiàn)熒光強(qiáng)度幾乎能完全恢復(fù)到未加Cu2+時的水平。通過上述分析， 可以推斷之前煤基Cdots水分散體的熒光淬滅是由加入的Cu2+與存在于煤基Cdots表面的含氧官能團(tuán)發(fā)生螯合作用而引起的。

圖5是體系pH值、煤基Cdots與Cu2+的反應(yīng)時間對煤基Cdots熒光強(qiáng)度的影響。

體系pH值既影響煤基Cdots的表面電荷特征，又影響Cu2+的水解行為及其在溶液中的存在形態(tài)，因此會強(qiáng)烈影響煤基Cdots與Cu2+的螯合。由圖5A可見，體系pH<3時，Cu2+對煤基Cdots的熒光淬滅效果不佳。因?yàn)榇藭r，煤基Cdots表面會附著有大量的H+而占據(jù)Cdots與Cu2+的結(jié)合位點(diǎn)； 而且在酸性條件下，Cu2+ 又以[Cu（H2O）6]2+ 的形態(tài)存在[30]，同種電荷的排斥作用也降低了Cu2+與Cdots的結(jié)合能力。隨著體系pH值增大，煤基Cdots表面所附著的H+被釋放，鏈接在Cdots的COOH、OH等含氧基團(tuán)上的H+也會被解離，這不僅使Cdots表面結(jié)合Cu2+的位點(diǎn)增加，而且還能使Cdots表面負(fù)電荷增加。而此時，Cu2+ 是以[Cu（OH）（H2O）6]+ 的形態(tài)存在的[30]，Cdots表面結(jié)合位點(diǎn)的增多，以及異性電荷的相吸，均能促進(jìn)Cu2+與Cdots的螯合作用，從而使Cu2+對煤基Cdots的熒光淬滅效果增強(qiáng)。本研究采用pH=7的PBS緩沖溶液維持檢測體系處于中性。

4 結(jié) 論

以新疆五彩灣煤炭為原料，通過混酸（H2SO4+HNO3）/超聲結(jié)合法制備了粒徑為（8±4） nm的煤基Cdots。TEM、XRD、XPS等測試結(jié)果表明其是一種具有sp2碳構(gòu)筑的多層石墨烯碎片結(jié)構(gòu)環(huán)壁，且鏈接了羧基、羥基、環(huán)氧基、磺酸基、硝基等含氧基團(tuán)的稠環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)環(huán)狀粒子，具有良好的水分散性。將煤基Cdots作為熒光探針檢測水體中的金屬離子，在痕量Cu2+離子存在下，煤基Cdots能夠選擇性的發(fā)生熒光猝滅，對Cu2+的檢出限低達(dá)9.6 nmol/L，是一種極為有效的Cu2+熒光檢測劑。endprint